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Resumen: T-035
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDEST E
Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2004
Cargador de baterias de Pb
de corriente modulada
Marder, Felipe - Lombardero, Oscar G. - Toranzos, Víctor - Aquino, Carlos de J.
Dto. de Ingeniería Electrónica FACENA UNNE, 9 de julio Nº 1449 2º Piso Lab. Nº 7
email [email protected]
Resumen
El presente trabajo con carácter de desarrollo tecnológico, forma parte del proyecto PI Nº 673 aprobado por la
Secretaría General de Ciencia y Técnica de la UNNE, bajo el título “Aplicaciones Industriales con Microcontroladores”.
El mismo consiste en el diseño e implementación de un cargador de baterías de plomo-ácido capaz de regular la
intensidad de la corriente efectiva de 1 a 10A. La forma de onda de la corriente de salida es de tipo cuasi senoidal y es
obtenida por un par de transistores MOSFET trabajando en conmutación. La topología circuital permite trabajar en un
régimen de modulación del ciclo de trabajo modificando el nivel de carga. Esto se realiza automáticamente a través de
un lazo de realimentación, y de acuerdo al grado de descarga de la batería que se sensa permanentemente. Dicho control
de estado se realiza tanto por tensión como por corriente, para establecer un nivel máximo y mínimo de carga. Este
prototipo está siendo utilizado con baterías de UPS.
Introducción
Los Sistemas Interrumpidos de Tensión, más comúnmente conocidos como UPS (Uninterrumped Power Supply),
utilizan generalmente baterías internas (electrolito en gel) de libre mantenimiento o bien baterías externas de plomoácido cuando se pretende un tiempo más prolongado de autonomía.
Ante la ausencia de energía de la red eléctrica los equipos eléctricos continúan funcionando en virtud de las UPS, hasta
que el estado de las baterías es insuficiente para mantener la generación alternativa. Al regresar la tensión de red se
restablece la carga a las baterías en un régimen que depende de los requerimientos de contorno. En aquellas áreas que
tienen en servicio computadoras o Server de comunicación en red, es necesario recuperar lo antes posible el estado de
las baterías a los fines de que la UPS tenga la capacidad de generar y mantener nuevamente, la tensión de alimentación
del sistema. Una batería es un dispositivo que permite almacenar energía en forma química. Una vez cargada, dicha
energía química se transforma en energía eléctrica, a través de un circuito, revirtiendo el proceso. La mayoría de las
baterías son similares en su construcción y están compuestas por un determinado número de celdas electroquímicas. La
tensión de una batería está dada por el número de celdas en serie que posea, siendo el voltaje de cada celda de
aproximadamente 2V.
Tipos de baterías:
a) Baterías no recargables. Son conocidas como pilas, dado que la reacción química que se produce durante su
uso es irreversible. Su vida dura lo que tarda en descargarse, y no son susceptibles de mantenimiento.
b) b) Baterías recargables o acumuladores. Salvo las de pequeño tamaño, prácticamente todas las baterías
recargables son del tipo plomo-ácido. Muy pocas son de otros tipos por su elevado costo. Existe una gran
diversidad de sistemas: níquel-cadmio, níquel-zinc, zinc-aire, sodio-azufre, hidruro metálico de litio, ion de
litio, litio-polímero, etc.
El acumulador de plomo-ácido esta compuesto por una carcasa donde se colocan placas de plomo. Entre ellas hay una
disolución de ácido sulfúrico y agua que actúa como electrolito. En la operación de carga, sobre las placas de plomo
conectadas al polo positivo, se forma sulfato de plomo.
Este conjunto, una vez cargado, es capaz de proporcionar corriente hasta que dicho sulfato de plomo se descomponga.
Durante el funcionamiento se elimina agua, que hay que reponer manteniendo el nivel adecuado. Se llama capacidad de
un acumulador, a la cantidad de carga eléctrica que es capaz de almacenar y, por tanto, de suministrar. Se expresa en
Amperios-Hora (Ah). Por ejemplo una batería de 60 Ah puede suministrar 60 A durante una hora, pero no es posible
que entregue 120A en media hora, porque la capacidad depende de parámetros constructivos o dimensionales.
Las normas para el mantenimiento de las baterías se encuentran detalladas en los estándares IEEE 450 y en el IEEE
1188.
Si bien la normativa establece que como carga inicial se entregue un 20% del valor nominal en Ah que es capaz de
entregar la batería, en este caso se ajustó a un valor efectivo de 7Ah con picos de 10A en régimen pulsante a los efectos
de no sobre exigir el dispositivo de carga.
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Materiales y Métodos
En la Figura Nº 1 se representa el diagrama en bloques del cargador de batería. Se pueden observar zonas de alta y de
baja tensión aisladas por los transformadores TR1 y TR2. La fuente de provisión de energía es la red domiciliaria de
220V, la que rectificada se eleva a +311V con los cuales se alimenta el excitador de potencia. La onda cuasi senoidal de
corriente que carga la batería es entregada por el transformador TR2 y rectificada con un puente de diodos de potencia.
Esta corriente de amplitud constante es modulada en ancho de pulso de tal forma que es posible modificar su valor
efectivo, e indirectamente regular el tiempo necesario para llevar a cabo la carga completa. La idea inicial fue diseñar
un sistema capaz de manejar intensidades de corriente elevadas, a un costo razonable y con un volumen y peso mínimo.
Esto llevó a considerar la posibilidad de trabajar a una frecuencia mayor de 50 Hz con la consiguiente reducción en el
tamaño del transformador de potencia TR2. O sea, mediante el aumento de la frecuencia de trabajo se redujo el número
de vueltas, con lo que se pudo incrementar el diámetro del alambre, manteniendo constante la densidad de corriente.
Mas adelante se presenta el cálculo del transformador de potencia. El sistema cuenta con un control de regulación de
carga por nivel de tensión, en estado normal de funcionamiento. Como protección en caso de sobrecarga, para el caso
de que la batería esté deteriorada o presente un cortocircuito interno, posee un sistema de corte utilizando un tiristor,
que se dispara según el nivel de corriente por la batería. Los transformadores utilizados fueron rediseñados para trabajar
a 200 Hz, empleándose el mismo tipo de laminación que para los 50Hz ya que las pérdidas por Foucault no son
representativas aún cuadriplicando la frecuencia de trabajo, pero con lo que se cuadriplica la potencia disponible.
astable
control y
protección
temporizador
220 V
rectificador
excitador
Trafo de
aislación
excitador
de potencia
batería
rectificador
de potencia
Trafo de
potencia
Figura Nº 1 Diagrama en bloques del cargador de baterías
Desarrollo
Para ver con mayor detalle el sistema lo representamos en su forma esquemática en la Figura Nº 2. En el mismo se
puede observar el oscilador implementado con un CD4047 que tiene salidas con niveles complementarios y que trabaja
a 200 Hz fijados por R2 y C2. Esta frecuencia permite reducir el tamaño del transformador de potencia TR2 sin
menoscabar la potencia a entregar a la carga, que en este caso es la batería de plomo-ácido. Si bien la salida del
oscilador es complementaria, es necesario reducir los tiempos de encendido y apagado de los MOSFET a los efectos de
contar con margen para poder modular el ancho de pulso y tampoco provocar estados de solapamiento. De esta manera
e indirectamente, se controla el nivel de corriente efectiva que se aportará a la batería.
El tiempo de excitación viene fijado por la constante de tiempo R3-C3 del temporizador LM555 funcionando como
monoestable. Las compuertas CD4081 permiten realizar las operaciones lógicas necesarias para llevar a cabo este
procedimiento.
Los transistores Q1 y Q2 son los que excitan en contrafase al transformador TR1, obteniendo la forma cuasi senoidal a
la que se hacía referencia en el apartado anterior. Este pequeño transformador transmite la señal de excitación a los
transistores MOSFET de canal N de potencia IRF840 y proveyendo aislación de la etapa de alta tensión.
Se implementó una red de reducción de los picos de sobretensión que se originan al momento del corte de corriente que
pasa por la inductancia del transformador TR1. Se aprovechan sincronizadamente los pulsos provenientes de las
compuertas b y d para estimular el transistor Q6 a través de los diodos D2 y D3, precisamente en los instantes en que se
generan los picos, los que son derivados través de los diodos D1 y D4 a la fuente.
Cuando se llega al nivel preestablecido de tensión de batería cargada, el sistema se inhibe. El control de corte lo realiza
el LM311 que compara un valor proporcional al de la batería en ese momento, con una tensión de referencia. También
se realiza un sensado de la corriente de carga que pasa por la batería mediante una resistencia en serie con la misma a
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los efectos de determinar si la corriente es excesiva e interrumpir el funcionamiento. En caso de que lo fuera se activa el
tiristor Th1 que inhibe la salida.
Cálculo del transformador
La ecuación inicial que relaciona potencia y área es
P[Watts ]
[ ]
S cm 2 = 36
 Amp 
J
⋅ F [Hz ] ⋅ B[KGauss ]
2
 mm 
la relación vueltas de alambre por volts la calculamos así
22500
 vueltas 
=

2
 volts  S cm ⋅ F [Hz ] ⋅ B[KGauss ].
η
[ ]
en nuestro caso hemos considerado los siguientes valores para la densidad de corriente, frecuencia y densidad de campo
magnético respectivamente
J =2
Amp
;
mm 2
F = 200 Hz;
B = 10 KGauss
reemplazando
[ ] 2 ⋅ 200P ⋅ 10 = 36
63
S [cm ] = 0,57 P
S cm 2 = 36
P
2
 S 

P[Watts ] = 
 0,57 
2
y finalmente, considerando una laminación Nº 112, obtenemos la potencia disponible del transformador haciendo
[ ]
S cm 2 = 3,3 x3.3 = 10.89
 10.89 
P[Watts ] = 
 = 365VA
 0,57 
este valor es la máxima potencia a extraer al transformador.
Si adoptamos como potencia de salida 350 VA, y un valor de 26 V
.I
[A] = 350 = 12,068 Amp.
29
considerada mas que suficiente para nuestro proyecto.
Conclusiones
Se ha realizado el diseño y la implementación de un cargador para baterías de plomo ácido de 75 Ah conectadas en
forma serial de tal modo que presenta 24V a 75Ah. El proceso de carga se realiza a través de un transformador de
potencia que trabaja a 200 Hz en vez de los 50 Hz de línea, con el fin de minimizar el tamaño y peso del equipo al
reducirse la cantidad de laminados del transformador.
El dispositivo regula automática-mente el ciclo de trabajo de acuerdo al estado de descarga de la batería lo que permite
un mejor aprovechamiento de los componentes alargando su vida útil. La corriente pulsante a la salida del
transformador es rectificada por un puente de diodos y pasa a través de una resistencia de potencia de muy bajo valor
para protección, cargando las baterías a razón de 7A RMS máximos. Con este nivel se mantienen en un mínimo los
inconvenientes por generación de calor.
Este equipo se encuentra funcionando en la Administración de la Red Informática de la Facultad de Ciencias Exactas de
la UNNE.
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Figura Nº 2 Diagrama esquemático del cargador
Referencias
1.
2.
3.
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Junio de 2001.
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6. Batteries and energy systems (2nd ed), C.L. Mantell, McGraw-Hill, NY 1983.
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Berndt, Taunton, Somerset, England 1993.
8. Battery hazards and accident prevention, S.C. Levy and P. Bro, Plenum, NY 1994.
9. Battery reference book, T.R. Crompton, Butterworths, London 1990.
10. Journal of Power Sources, Elsevier Science S.A. P.O.Box 564, 1001 Lausanne, Switzerland